0 引言
磁化率指标被广泛用于提取风积物、湖积物环境信息,尤其在黄土—古土壤的研究上取得了大量标志性的成果[1,2]。北方黄土磁化率被视为反映夏季风强弱变化的代用指标,广泛用于海陆相沉积物对比,定量重建古气候环境变化,以及古降雨量的分布再现[3]。但是南方红土磁化率记录古气候变化还存在分歧。一些学者[4,5,6,7,8,9,10]对南方红土磁学特征研究发现,磁化率曲线波峰对应于古土壤,指示了温暖湿润气候环境,波谷对应于风成沉积土层,指示着干冷气候环境,认为磁化率可作为红土沉积古气候环境变化的替代性指标。朱丽东等[11]对江西九江庐山地区 JL 剖面红土磁化率自下而上分为 4 个波动式增大的阶段,可与早更新世以来季风环流演变过程中的几个重要转折期对应,记录了大尺度内的古环境变化信息。另一些学者[12,13,14,15,16]持反对意见,网纹红土的低磁化率值是各种因素造成的,化学风化强度不是控制网纹红土低磁化率的唯一因素,磁化率不能指示古气候变化。赣南地区和衡阳地区处中亚热带地区,红土分布广泛,地层序列完整,古环境信息保存较好,但是,有关红土磁学方面的研究报道较少。文中以江西赣南地区和湖南衡阳地区典型红土剖面为研究对象,进行磁化率、常量元素等方面的对比分析,探讨湘赣地区红土剖面磁化率含量的垂向变化特征,以及磁化率与风化系数的相关关系,以便提取古气候环境变化信息,为南方第四纪环境正确解释提供基础资料。
1 区域地质背景
赣南地区地层分布如图1所示,区内广泛出露震旦—奥陶系地层,其中震旦系是赣南地区出露最老的地层,划分为上统和下统,下统集中分布在南部,上统主要分布在北部。寒武系地层是赣南地区出露最广地层,可划分为上统、中统、下统3个统,3个地层之间皆为连续过度沉积,除石城县分布较少外,其他各县均有大面积的分布。奥陶系地层分布在崇义—大余一线以西,分为上统、中统和下统,3个地层之间均为连续过渡沉积关系,下统为闭塞海湾相或浅海相类复理石沉积相,中统属闭塞海湾笔石沉积相。志留系和下泥盆统地层在本区缺失,中泥盆统为陆相沉积,上泥盆统为海相沉积,出露面积不大。
图1
衡阳地区地层分布如图2所示,衡阳地区地处新华夏系第二沉降带的南段,系中生代晚期形成的内陆断拗盆地,衡阳盆地区内除了志留系地层缺失外,从震旦系—第四系地层均有出露分布。震旦—奥陶系地层集中分布在常宁县及周边地区,岩性以海相碎屑沉积岩为主,夹少量含杂质碳酸盐岩。泥盆—三叠系地层主要分布于衡阳盆地周边地区,尤其是盆地西北部和东南部出露较广。岩性以碳酸盐岩为主,夹有海相碎屑沉积岩。侏罗系—古近系集中分布于衡阳盆地中间部位,为一整套陆相碎屑沉积岩。第四系地层集中分布于湘江河流两岸以及地势低洼的地区,以洪冲积、坡积相沉积为主 。
图2
2 样品和方法
江西赣南地区3个红土剖面:黄金红土剖面(HJ)位于江西应用技术职业学院后山,地理坐标为北纬25°49'和东经114°58',属于第四纪红黏土地层,厚约4.15 m,采集样品21个。沙河红土剖面(SH)位于章贡区沙河镇工业园,地理坐标为北纬25°49'和东经114°58',属于第四系红粘土地层,厚约4.0 m,采集样品21个。田村红土剖面(TC)位于赣县田村,地理坐标为北纬25°48'和东经114°58',为花岗岩型红土,采集样品45个。衡阳地区两个红土剖面:松木剖面(SM)位于衡阳市石鼓区松木乡,地理坐标为北纬26°57' 和东经112°37',属于花岗岩红土地层,采集样品共86个。高兴剖面(GX)位于衡阳盆地衡阳市高兴村,地理坐标为北纬26°51' 和东经112°36',为花岗岩型红土,采集样品共90个。红土剖面为远离居住区和交通线路,皆为新鲜的人工露头剖面未遭外部环境的污染,取样时首先用削尖的竹片剔除了1~2 cm厚的表土层,从剖面底部由下往上用竹片采集红土样品。
样品采集回来后经过室内自然晾干,而后用玛瑙钵轻轻研磨,并用保鲜膜包好放于圆柱形小盒中,进行磁学测试。赣南地区红土样品磁学测试在西南大学地理科学学院第四系实验室完成,衡阳地区红土样品磁学测试在衡阳师范学院城市与旅游学院第四系实验室完成,使用仪器为英国Bartington仪器公司的MS2型磁化率测试仪,计算得出了红土样的低频磁化率值和高频磁化率值,该结果表明,绝大多数样品低频磁化率值大于高频磁化率值,符合红土细颗粒磁性矿物对高频磁场滞后作用的特征,两个磁化率参量的变化趋势一致,因此,下面仅以低频磁化率展开讨论。元素测试在南京师范大学地科院完成,测试仪器为Minipal4荧光光谱仪(荷兰PANalytical公司),常量元素含量主要以氧化物形式给出,实验误差小于5%。
3 结果与分析
3.1 红土磁化率分布特征
黄金红土剖面(HJ)21个样品磁化率测试分析结果见图3a。低频磁化率变化范围介于(115.4~211.5)×10-8 m3/kg之间,均值为166.6×10-8 m3/kg,表明该红土剖面含有较多磁性矿物。低频磁化率不同地层含量大小为:网纹红土层>红壤层>均质红土层。
图3
图3
赣南地区红土剖面磁化率含量垂向变化曲线
a—黄金剖面;b—沙河剖面;c—田村剖面
Fig.3
Vertical Change mapof magnetic susceptibility content in red soil profile in the South of Jiangxi area
a—Huangjin section;b—Shahe section;c—Tiancun section
沙河红土剖面(SH)21个样磁学分布特征如图3b所示。低频磁化率变化范围介于(100.8~246.7)×10-8 m3/kg之间,平均值为162.0×10-8 m3/kg,表明沙河红土剖面含较多的磁性矿物。沙河(SH)剖面样品SH-5、SH-15质量磁化率较高,不同层位低频磁化率的大小为:网纹红土>均质红土层。
田村红土剖面(TC)45个样品磁学分布特征如图3c所示。低频磁化率分布介于(60.69~451.73)×10-8 m3/kg之间,平均值为327.32×10-8 m3/kg,表明红土中含有较多的磁性矿物。田村红土剖面样品TC-41、TC-19和TC-33低频质量磁化率相对较高。
剖面上部(0~420 cm)低频磁化率均值为341.15 ×10-8 m3kg-1,剖面下部(430~900 cm)低频磁化率均值为325.22×10-8 m3kg-1。田村红土剖面(TC)不同地层低频质量磁化率大小为:网纹红土层>均质红土层>红壤层。
赣南地区红土剖面接近地表的样品低频质量磁化率反而相对降低,可能与赣南地区长期高温多雨的沉积环境有关,在湿热的沉积环境下,细粒磁性矿物的流失是造成样品低频质量磁化率降低的重要原因。赣南地区黄金红土剖面、沙河红土剖面、田村红土剖面低频质量磁化率由底部往上呈现先递增而后递减的变化趋势,低频质量磁化率曲线表现出波动变化,黄金红土剖面和沙河红土剖面低频质量磁化率呈现低频高幅的变化特征,田村剖面磁化率曲线表现为高频低幅的特征,指示红土沉积了经历了多次冷暖气候旋回变化。
高兴剖面86个土样磁学特征如图4a所示。低频质量磁化率变化范围介于(12.11~266.15)×10-8 m3/kg之间,红土剖面磁化率均值为87.23×10-8 m3/kg,磁性矿物含量较少。0~108 cm高兴剖面磁化率在(12.1~48.8)×10-8 m3/kg之间变化,且变化趋势较为平缓。深度为108 cm处为一拐点。108~156 cm红土剖面低频磁化率整体增大趋势直至达到全剖面最大值266.1×10-8 m3/kg。156~344 cm磁化率在(55.6~266.1)×10-8 m3/kg之间变化。
图4
图4
衡阳地区红土剖面磁化率含量垂向变化曲线
a—高兴剖面;b—松木剖面
Fig.4
Vertical Change mapof magnetic susceptibility content in red soil profile in Hengyang area
a—Gaoxing section;b—Songmu section
松木剖面90个土样磁学分布特征如图4b所示。低频质量磁化率变化范围介于(17.05~463.91)×10-8 m3/kg之间,红土剖面低频磁化率均值为115.55×10-8 m3/kg,表明含有较多的磁性矿物。松木剖面下部磁化率变化幅度较大,期间有几处较大的突变,位于深度320 cm处松木剖面低频磁化率出现最低值为17×10-8 m3/kg,56~88 cm松木剖面红土低频质量磁化率呈现波峰与波谷相间分布。284 cm处低频质量磁化率为最大值463.9×10-8 m3/kg,196、164、112 cm低频质量磁化率值分别为347.1×10-8 m3/kg、300.3×10-8 m3/kg、281.7×10-8 m3/kg。
衡阳地区高兴剖面、松木剖面磁化率曲线变化特征表现为高频高幅度,整体波动频度比赣南地区红土剖面要强,高兴剖面和松木剖面磁化率曲线波动相位和步调有些相似。以172 cm为界,高兴剖面上部、下部低频磁化率均值分别为52.514×10-8 m3/kg、94.762×10-8 m3/kg。磁化率从剖面底部往上呈现为先递增而后递减的变化趋势,中间区段为最高值区域。以180 cm为界,松木剖面上部、下部低频磁化率均值分别为85.762×10-8 m3/kg、142.09×10-8 m3/kg,磁化率从剖面底部往上呈现先递增而后递减的变化趋势。
综合分析可知,湘赣地区红土剖面下部低频磁化率均值比上部要高,赣南地区的黄金、沙河、田村红土剖面,以及衡阳地区的松木、高兴红土剖面的低频质量磁化率值由底部往上整体上呈现逐渐递减的变化趋势,但是磁化率曲线波动的相位和步调不一致。根据世界气候变化的总趋势推测,红土沉积时期磁化率的高值对应着暖湿的环境,磁化率低值对应着冷干的环境。3.2 低频磁化率和CIA值的关系
图5
图5
衡阳地区红土剖面CIA值和磁化率值的相关性
a—高兴剖面;b—松木剖面
Fig.5
The correlation coefficients between CIA value and and magneite suscepithility values in red earth section in Hengyang
a—Gaoxing section;b—Songmu section
4 讨论
红土磁化率成因机制是学者研究重要科学问题,一致认为,红土的磁化率的含量是受母岩、风化强度、气候等多种因素的影响。因此,只有综合分析红土磁化率与其成土因素的关系,才能更全面、更准确的解释古环境的变化。分析了湘赣丘陵区花岗岩型红土和第四系红土磁学特征发现:第一,红土沉积气候环境对磁化率影响较大。同一剖面顶部由于湿热环境下,细粒磁性矿物流失导致磁化率降低,不同气候区红土剖面低频磁化率相差较大,如赣南地区花岗岩型红土的低频磁化率比衡阳地区要高,而衡阳地区花岗岩型红土的磁化率相差较小,赣南地区平均湿热程度高于衡阳地区。第二,母质是影响红土磁化率的重要因素,如赣南地区第四系红土剖面低频质量磁化率值相近似,但显著低于花岗岩型红土剖面的磁化率,这与花岗岩母质经过强烈化学风化作用导致风化壳磁化率增强有关。第三,赣南地区红土剖面网纹红土层的磁化率高于均值红土层和红壤层,可能与网纹红土层风化强度有关。
赵其国[18]研究安徽宣城红土剖面的磁化率表明,古土壤具有相对高的磁化率,气候温暖湿润,低值磁化率指示冷干气候,表明了磁化率参数也适合于南方红土沉积环境记录的研究。金书晨等[19]研究了大连市金州七顶山、石河华农村和滨海假日花园红色风化壳发现,红色风化壳是高温高湿气候条件下的风化产物,上覆黄土说明经历了热带或亚热带湿热气候随后变为干寒气候。也有研究发现[20],土壤磁化率与风化强度并非是简单的联系,而是风化强度超过一定的强度之后,土壤磁化率反而降低。赣南地区黄金红土剖面、沙河红土剖面、田村红土剖面低频质量磁化率由底部往上呈现先递增而后递减的变化趋势,存在多次波动变化。衡阳地区高兴剖面、松木剖面由底部往上低频质量磁化率整体上递减的变化趋势,磁化率曲线中间部分存在高磁化率的波峰段,且存在多次波动变化,揭示了湘赣地区红土沉积环境经历了暖湿时期、湿热时期和温干时期的变化,期间有多次冷暖旋回变化。
5 结论
1) 湘赣地区红土剖面低频质量磁化率分布范围介于(12.1~463.91)×10-8 m3/kg之间。红土磁化率受气候和母质影响明显。赣南地区第四纪红土剖面低频质量磁化率值显著低于花岗岩型红土剖面的磁化率,红土剖面中网纹红土层的磁化率高于均值红土层和红壤层。此外,赣南地区花岗岩型红土的低频磁化率比衡阳地区的花岗岩型红土磁化率高。
2) 湘赣地区红土剖面下部低频磁化率均值比上部要高,赣南地区三剖面磁化率曲线波动的相位和步调不一致,而衡阳地区两红土剖面磁化率曲线波动相位和步调有些近似。红土剖面不同地层磁化率值存在着较为明显的差异,这个差异正是对古气候环境变化的响应。黄金剖面、沙河剖面、田村剖面、高兴剖面和松木剖面低频质量磁化值从底部往上表现为一致的降低的趋势,揭示了红土剖面沉积时期古环境由暖湿时期向温干时期的演变。
3) 线性相关性分析表明,衡阳地区高兴和松木红土剖面的低频质量磁化率值与化学蚀变指数(CIA)值具有较好地相关性,即为磁化率高值对应CIA高值,指示温暖湿润沉积环境;磁化率低值对应CIA低值,指示着寒冷干燥沉积环境。
(本文编辑:王萌)
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[本文引用: 1]
通过采集长江中下游湖南长沙(CS)、岳阳(HN)、江西南昌(NC)、新余(XY)和浙江金华高村(GC)5个剖面不同层位的红土样品,对其粒度和多种磁学参数进行测量和分析,探讨了红土剖面随深度变化的成土作用强弱以及多磁学参数在揭示我国南方红土第四纪气候演化信息的价值。结果表明:①粒度分析显示,红黄土交接带(约28°~31°N)的CS、HN、NC、GC 4个剖面的红土粒度与北方黄土和下蜀黄土有很好的可比性,具有明显的风成特性;位置更偏南的XY剖面红土颗粒较粗,10~50 μm粒组富集不明显,具有典型的冲积相特征。②各红土剖面的多磁学参数分析表明,成土过程中产生的磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿是红土磁性的主要载体。③同一红土剖面内,不同沉积结构的磁性矿物含量和组成具有很大差异。下部网纹红土中赤铁矿的含量较高,磁赤铁矿的含量较上覆均质红土或黄棕色土低,揭示了网纹红土形成于中国南方一个极端湿润期,长期剧烈的水分活动导致均质红土中磁赤铁矿的溶解和铁质的流失,同时较强的成土作用使强磁性的磁赤铁矿向弱磁性的赤铁矿转化,从而导致网纹红土的磁化率比上覆均质红土或黄棕色土低了一个数量级。④具有冲积相特征的XY剖面磁学特征与其他风尘成因红土(特别是NC剖面)差异甚大,可能成为它具有不同物质来源的一个佐证。
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